甘肃省地下水观测资料效能评估结果分析

张 昱， 常千军， 陈 瑶， 刘宝勤

(甘肃省地震局， 甘肃 兰州 730000）

0 引言

地下水位（流量）观测在我国已有几十年的历史， 并且取得了许多宝贵的观测资料和一些震例资料。 地下水动态是在自然、 人为等多种因素的影响下， 随时间变化的及其复杂的物理过程。 国内外地震学者曾以大量的观测事实论证了水位动态不仅可以直接反映受力状态变化引起的孔隙压力的变化， 而且还可以反映出含水层地下水径流的速度与流量等渗流场的变化[1、2]。 因此地下水位观测一直作为地震前兆观测的重要测项[3、4]。 水位监测仪器经过几十年的观测使用， 存在失修老化问题， 使观测技术跟不上现代技术的发展要求。 针对这种情况， “九五” 和“十五” 期间中国地震局对水位观测台网进行了数字化改造。 随着地下流体数字化观测技术的不断发展， 我国地震地下水位的数字化观测已有十多年的历史[5、6]。

地热前兆方法是通过研究地壳浅层的热状态及其随时间的变化。 传统地热学指出地壳浅部地热场受岩性、 地形、 构造应力、 岩浆活动、 地下水运动等影响因素的制约。 实践表明， 由于高精度水温观测点观测环境、 井孔条件、 观测部位构造条件、 介质条件、 地下水动力条件和类型的差异， 各观测点的水温动态呈现出不同的形态[7]。 随着对地震预报研究的不断深入， 地热动态与地震活动性的关系已日益引起了地震学者[8～10]的关注。 地震水温前兆观测和研究在我国起步较晚， 数字化水温观测自1987年11月澜沧-耿马7.6 级地震之前取得一批短临异常以来， 在我国地震监测与预测中已成为重要的测项， 而且取得了一批有科学价值的资料[11]。 目前， 水温观测作为传统地球物理学的一个重要分支， 在理论上已日益成熟和完善， 水温观测与研究取得了丰富的资料和可喜的预报效果。

本文是根据中国地震局监测预报司关于前兆观测资料预报效能评估工作的要求， 对甘肃地区的水位（流量）、 水温观测资料做了比较系统的评估分析。 希望这些工作能在今后的分析预报中起到一定的作用。

1 测点（井）概况及观测技术

甘肃地区模拟水位观测最早开始于上世纪八十年代初， 现有观测资料始于1985年前后。 1996年7月平凉C11 井开始水位观测， 使用仪器为SW-40-1 型水位仪。 参加评估的模拟水位观测5个测点， 分别为平凉、 庆阳、 兰州大滩、 临泽、 酒泉水位。

流量观测开始于上世纪八十年代初， 现有观测资料始于1985年。 采用的是比较传统的量筒方法， 记录流满1 升水所需的时间， 根据时间变化来确定流量发生的变化。 参加评估的流量观测2个测点， 分别为清水、 礼县。

“九五” 数字化水位观测始于2000年， 2001年正式产出资料， 采用的是LN-3 型数字化水位仪。 “九五” 数字化水位观测有四个井， 分别为武都两水、 天水013、 平凉C11 井和高台等测点。 天水013 井水位由于仪器故障停测。 “十五” 数字化水位观测开始于2007年， 多数测点于2007年下半年产出资料， 观测仪器分别为LN-3A、 ZKGD-3000 型水位仪。“十五" 地下水位测点共有7个井， 8个测项。 分别是武都樊坝、 清水温泉、 临夏1 号井（有两套不同的观测仪器）、 临夏2 号井、 永登莺鸽、 景泰芦阳、 古浪横梁等测点。

甘肃地区的水温观测最早始于1996年8月平凉C11 井200 m 水温观测， “九五” 测点有： 高台水温、 兰州水温、 平凉C11 井（280 m）、 天水013 水温、 武都两水水温等5个测点。 观测仪器为SZW-1A。 “十五” 水温有武都樊坝、 成县、 清水温泉、 清水李沟、 临夏（1 号井）、 临夏（2 号井）、 永登莺鸽、 景泰芦阳和古浪横梁等测点（景泰、 古浪分别在190 m、 110 m、 50 m 深度有3个水温探头）。 观测仪器分别为ZKGD-3000 和SZW-1A（2004）型水温仪。 其中高台、 平凉、 武都两水、 武都樊坝、 清水温泉、 临夏（1 号井）、 临夏（2号井）、 永登莺鸽、 景泰芦阳、 古浪横梁均为流体综合观测井（同时观测水位、 水温）。 图1为甘肃地区水位（流量）、 水温所评估测点分布图。

2 观测资料预报效能评估依据及标准

观测资料评价依据从资料质量（60 分）、 基础资料（10 分）、 震例（30 分）3个方面进行评估。

资料质量。 从资料的稳定性（10 分）、 连续性（8 分）、 资料长度（6 分）、 动态特征（14）、 是否有辅助观测资料（2 分）、 影响因素分析（10 分气象、 环境、 观测设备、 其它）、信息反映能力 【10 分， 同震效应（6 分）、 固体潮（2 分）、 气压效应（2 分）】 等方面进行评估。

基础资料。 从测点与构造关系（2 分）、 监测区主要控制点（2 分）、 测点配套性（2分）、 井点基础资料是否齐全（4 分）等4个方面进行评估。

震例（30 分）。 基本分（15 分）： 在年度会上、日常会商中广泛使用该资料， 不常使用， 偶尔使用或没有使用。 震情判定作用（15 分）： 震情判定作用中起作用或有显著异常震例， 判定中有作用但无震例， 没有使用过该资料。

根据评分结果分为A 类： 评分值应在90 分以上， 其中震例评估至少达到25 分。 B 类：评分值应在80～89 分， 其中震例评估至少达到20 分。 C 类： 评分在60～79 分。 D 类： 评分为60 分以下。

图1 评估测点分布图Fig.1 Distribution map of measuring points under evaluation

表1 观测资料预报评估得分标准Table 1 Evaluation criteria for observed data

3 观测资料预报效能评估结果分析

对不同档次测点评估结果举例分析。

2.1 A 级测点

2.1.1 平凉C11 井模拟水位：

平凉C11 井模拟观测始于1996年8月， 观测资料稳定， 动态特征明显，年变形态清楚，固体潮比较清楚， 水位的气压效应明显， 周围环境好， 观测设备良好， 无明显干扰因素。 大震的同震效应非常清楚， 测点配套性好， 基础资料齐全。 有震例（图2a 为水位观测曲线），2003年为破年变异常（下半年发生民乐6.1 级、 岷县5.2 级地震）， 得分91 分， 评为A 级。

2.1.2 平凉水温（200 m）

200 m 水温观测始于1997年1月， 观测仪器为SZW-1A 型水温仪。 观测资料连续、 稳定、 可靠。 动态特征比较明显， 周围环境好， 观测设备良好， 测点基础资料齐全， 无明显影响因素。 2004年印尼、 2008年汶川地震的同震效应非常明显[12、13]。 有震例（图2b），日常会商广泛使用。 得分90 分， 评为A 级。

图2 平凉C11 井模拟水位和200 m 水温观测曲线Fig.2 Observed curve of simulated waterlevel (200m) and totemperature of C11 well at Pingliang

2.1.3 清水流量

该测点于1981年6月开始观测流量， 现有资料始于1985年1月。 该井观测资料连续、稳定， 含水层的封闭性较好， 动态特征明显，年动态较稳定， 整体呈下降趋势。 有辅助观测项目， 观测环境无明显干扰， 测点基础资料齐全。 降水对井水位的干扰较小。日常会商广泛使用， 异常形态为趋势下降的基础上出现高值之后， 往往有地震发生（图3 为其观测曲线）， 得分95 分， 评为A 级。

2.2 B 级测点

2.2.1 临夏1号井ZKGD-3000 型水位仪

观测资料始于2007年6月1日， 观测比较稳定， 动态特征明显， 有年变形态。 资料比较连续可靠， 有记录固体潮汐的能力。 基础资料齐全， 周围无明显影响因素， 观测设备良好。 2008年汶川地震的同震效应非常明显， 有记录固体潮汐的能力， 有气压效应， 测点配套性好。日常会商中广泛使用。 由于资料时间较短， 无震例， 得分89 分， 评为B 级。

2.2.2 清水温泉水位

清水温泉井水位观测开始于2007年6月， 属“十五” 项目。 观测资料稳定、 可靠、 连续， 动态特征明显， 周围环境无干扰， 观测设备良好， 不受气象因素影响。 2008年汶川地震的同震效应非常明显， 有记录固体潮汐的能力， 测点配套性好。 资料时间较短， 无震例，得分86 分， 评为B 级。

图3 清水流量观测曲线Fig.3 Curve of water flow at Qingshui

2.2.3 清水李沟水温

清水李沟水温为 “十五” 观测项目。 资料始于2007年9月。 观测资料稳定、 连续、 可靠。 动态特征明显， 有辅测项目。 周围环境好， 观测设备良好， 无明显干扰因素。 基础资料齐全。 2008年汶川地震的同震效应比较明显，日常会商经常使用， 得分87 分， 评为B 级。

2.3 C 级测点

2.3.1 武都樊坝水位

武都樊坝水位为 “十五” 观测项目， 为LN-3A 型数字水位仪。 观测点基础资料齐全，资料突变多。 干扰较大。 由于观测时间短，年动态、 干扰因素尚不清楚， 有待于研究。 从观测资料看， 能记录到明显的固体潮， 有气压效应， 2008年汶川地震时记录到水位阶变同震响应。 观测资料只能分段使用或经过处理后使用， 得分62 分， 评为C 级。

2.3.2 古浪横梁水位

古浪横梁水位观测资料始于2007年9月1日， 观测资料稳定性、 连续性均一般。 据监测中心管理人员介绍， 资料不连续时段可能与该测点使用农用电有关（农用电电压不稳定）。 有动态特征， 有辅助测项。 大震的同震效应比较明显。 基础资料齐全。 资料时间短，无震例， 得分71 分， 评为C 级。 图4 为其观测曲线。

2.4 D 级测点

武都樊坝水温为 “十五” 观测项目， 使用SZW-1A（2004）型水温仪。 观测资料突变很多， 稳定性差， 基本不使用。 可能是仪器有问题。 得分56 分， 评为D 级。 图5 为武都樊坝水温观测曲线。 表2、 表3 分别为水位（流量）、 水温所评测项得分统计表。

图4 古浪横梁水位整点值观测曲线Fig.4 Water level curve of value hourly measured at Hengliang, Gulang

图5 武都樊坝水温分钟值观测曲线Fig.5 Water temperature curve of value minutely measured at Fanba, Wudu

表2 甘肃省水位（流量）观测预报评估得分统计表Table 2 Statistical table of evaluation of earthquake prediction for water level in gansu province

井(泉)名称资料质量60 基础资料10 震例评估30 总分级别稳定性评价26动态特征14影响因素分析10信息反映能力10测点与构造2控制观测点2测点配套性2基础资料4基本分（15）震情判定作用（15）武都两水(九五)古浪(十五)庆阳模拟永登(十五)临泽模拟兰州大滩模拟22 20 18 18 16 22 13 11 8 91 0 10 6 7 6 842 9 8 7856 2 2 1211 2 2 2 222 2 2 1211 4 4 4444 10 9 9697 10 6 10 4 10 7 80 71 66 63 62 62 B C CCCC武都樊坝(十五)酒泉金1 井模拟高台(九五)清水流量礼县流量17 18 18 25 24 9 891 4 13 8 4 71 0 10 8 5699 2 1221 2 1 222 2 2222 4 4244 6 971 4 13 4 9 51 3 12 62 61 60 95 90 C CCAA

表3 水温观测预报评估得分统计表Table 3 Statistical table of evaluation of earthquake prediction for water temperature in gansu province

从表2、 表3 中分别可以看出， 所有参加评估的18个（水位16 项、 流量2 项）测项中， 4 项评为A 级， 2个属专业测点， 2个属地方测点， 占所有参评测项的22.22﹪； 6 项评为B 级， 均属专业测点， 占所有参评测项的33.33﹪； 8 项评为C 级， 4个为专业测点， 4个为地方测点， 占所有参评测项的44.44﹪。 13个水温测点（18个测项）中， 平凉C11 井200m 水温观测1 项评为A 级， 占所有测项的5.56﹪； 10 项评为B 级， 占所有测项的55.6﹪；6 项评为C 级， 占所有测项的33.4﹪； 1 项评为D 级， 占所有测项的5.56﹪。

从评估结果看， 质量好的为观测时间较长的测点， 如平凉模拟水位、 清水流量、 礼县流量、 平凉200 m 水温等测项。 平凉水位资料动态特征明显， 固体潮清晰， 测点基础资料齐全，日常会商广泛使用， 水位气压效应明显； 清水流量、 礼县流量观测资料时间长， 测点基础资料齐全， 清水流量震例较多， 礼县流量也有震例， 观测人员认真负责，日常会商和震情判定中作用显著； 平凉200 m 水温， 动态特征明显， 测点基础资料齐全，日常会商广泛使用， 有震例， 资料评为A 级。 另外， 平凉C11 井 “九五” 水位、 280 m 水温， 观测资料比较稳定可靠， “十五” 的几个测点， 如临夏1 号井（两项水位、 水温）、 临夏2 号井（水位、 水温）、 清水温泉（水位、 水温）、 清水李沟水温、 成县水温等观测资料连续、 稳定可靠， 只是“十五” 测点观测资料时间较短， 无震例， 多数资料评为B 级， 随着时间的增加， 这些观测资料可能会在以后的分析预报中发挥一定的作用。 另外， 多数数字水位、 水温测点在2008年汶川地震时同震效应非常明显。

评为C、 D 级资料的测点， 数字化测点多数是由于电源电压不稳（古浪水位、 水温， 永登水位）、 仪器故障（武都樊坝水位水温等）导致观测资料连续性、 稳定性较低； 如果把电压问题、 仪器故障等问题解决了， 这些测点的观测资料也会上一个台阶。 现在这些资料只能分段使用或经过处理后才能使用。

模拟水位观测多数资料评为C 级， 这些测点观测资料时间也较长， 但多数为地方地震局管理， 存在仪器老化、 测点环境破坏、 经费较少、 资料报送不及时等多种因素， 导致评估档次较低。

总体来看， 观测时间较长， 测点环境较好的模拟观测资料较好， 主要是有震例。 数字化资料多数测点资料也比较连续、 稳定， 由于资料时间较短， 无震例， 导致评估档次较低。个别测点可能仪器故障较多， 导致资料实用性、 可用性很低。 专业测点资料好于地方测点。

4 水位（流量）、 水温观测网存在的问题与建议

甘肃水位（流量）、 水温观测台网存在的问题是， 布局不合理， 东部测点较密， 西部稀少，个别测点仪器故障较多， 资料连续性、 稳定性较差， 在日常分析预报中使用率较低。针对这些问题， 有以下一些建议：

（1）尽管 “十五” 项目建设时已经考虑到测点布局不合理的问题， 在中西部地区增加了一些测点， 但河西西部测点较少， 整体来看还是没有完全得到改善。 希望在今后的台站建设中能考虑这些问题。

（2）发现问题应及时解决（比如断电、 仪器故障等）， 使正常运行的测点能够观测到真实可靠的观测资料， 特别是数字化测点能够产出连续、 可靠、 有用的观测数据。

（3）一些测点周围的观测环境受到明显的干扰或破坏， 对观测资料影响也比较严重。这个问题可能是将来很长时间会碰到也比较难解决的问题， 所以， 在今后选点时要尽量能避开这些地方， 使所建的台站能真正发挥作用。

（4）个别地方台站资料报送不及时， 影响资料的使用率， 希望今后能得到改善。

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